Electrónica de Potencia/IGBT/Estructura y principio de funcionamiento
Historia del IGBT
El IGBT es un dispositivo semiconductor con cuatro capas alternas (P-N-P-N) controladas por una estructura de puerta semiconductora de óxido metálico (MOS) sin acción regenerativa.
Este modo de operación fue propuesto por primera vez por el japonés Yamagami en
En 1979, B.J. Balinga definió la estructura del dispositivo como un MOSFET con la zona de “drain” sustituida por una zona de ánodo tipo p.
Plummer archivó una patente para en modo de operación IGBT en el dispositivo de cuatro capas (SCR) en 1978. Hans W. Becke y Carl F. Wheatley inventaron un dispositivo similar para el cual firmaron una patente en 1980, al cual se refirieron como “MOSFET de potencia con una región de ánodo”. Esta patente ha sido considerada como la semilla para el IGBT. La patente afirmaba que el dispositivo “no se comporta como un tiristor bajo ninguna condición de funcionamiento”. Esto significa básicamente que en el dispositivo no se produce cortocircuito tipo “latchup” en todo su rango de operación.
Dispositivos prácticos capaces de operar en un gran rango de corrientes fueron en primer lugar reportados por Baliga en 1982. Un documento similar fue publicado por J.P. Russel en la revista “Electron Device” en 1982. Las aplicaciones para el elemento eran inicialmente consideradas por la comunidad científica de la electrónica de potencia como muy restringidas debido a su baja velocidad de conmutación y porque se producían cortocircuitos tipo latch-up. No obstante, fue demostrado por Baliga y posteriormente por A.M. Goodman en 1983 que la velocidad de la conmutación podía ser ajustada en un gran rango usando la irradiación de electrones.
A continuación se produjo una demostración del funcionamiento del dispositivo a altas temperaturas por Baliga en 1985. Se produjeron esfuerzos con resultados satisfactorios en la supresión de los latch-ups en el dispositivo y la determinación de los niveles de voltaje admisibles puerta-emisor permitieron la introducción de dispositivos comerciales de este tipo en 1983, que podían ser utilizados en un gran ámbito de situaciones.
La definitiva supresión de la acción parasitaria de tiristor anulando los cortocircuitos “latch-up” y consiguiendo un comportamiento IGBT para el rango de operación completo del dispositivo fue conseguido en 1984 por A. Nakagawa. El diseño para el IGBT sin latch-up fue patentado.
Para probar la ausencia de latch-up, los prototipos de IGBT de 1200 V fueron conectados sin ninguna carga a una fuente constante de 600 V y fueron accionados durante 25 microsegundos. Los 600 V cayeron en su totalidad en los IGBTs y fluyó una enorme corriente de cortocircuito.
Los IGBTs soportaron con éxito estas severas condiciones. Esta fue la primera demostración de las llamadas pruebas de capacidad de soporte de cortocircuito en IGBTs. La no ocurrencia de cortocircuitos latch-up estaba asegurada por primera vez para el rango completo de operación. En este sentido, el IGBT sin latch-ip propuesto por Hans W. Becke y Carl F.Wheatley fue realizado por Nakagawa en 1984. Toshiba comercializó productos de este tipo por primera vez en 1985. Al ser probada la ausencia de latchup, fue probado que los IGBTs se mostraban robustos y tenían una gran área de operación. Fue demostrado que el producto de la densidad de corriente operática y el voltaje del colector excedían el limite teórico de los transistores bipolares de 2E5 W/ cm2 y alcanzaron 5E5 W/cm2.
El material aislante está típicamente formado por polímeros solidos que tenían problemas de degradación. Algunos desarrolladores usan un gel ionizado para mejorar la manufactura y reducir el voltaje requerido.
Comparaciones específicas frente a otros dispositivos
Definimos el IGBT como un híbrido entre los transistores MOSFET y los BJT, o bipolares, que aprovecha las ventajas de ambas tecnologías, por lo que será sobre estos dos con los que realizaremos las comparaciones más específicas, observando sus ventajas y desventajas.
El IGBT tiene la salida de conmutación y de conducción con las características de los transistores bipolares, pero es controlado por tensión como un MOSFET, tiene una impedancia de entrada elevada como los MOSFET, alta capacidad de corriente, caída de tensión directa (voltaje colector-emisor de saturación) muy baja así como la facilidad de comando gracias a la compuerta aislada que ofrece la tecnología MOSFET, además de las bajas pérdidas en conmutación como los BJT, puesto que la energía aplicada en la puerta que activa el dispositivo es pequeña, con corrientes de orden de nanoamperios y tensiones de control de unos 15V, haciendo posible su control mediante circuitos integrados, además de no necesitar la corriente de base para mantenerse en conducción como los bipolares. En general, esto significa que tiene las ventajas de la alta capacidad de manejo de corriente propias de un transistor bipolar, con la facilidad del control de conducción por tensión que ofrece un MOSFET.
• Entre algunas de sus desventajas encontramos que tienen una relativamente baja velocidad de respuesta (20Khz) en comparación con el MOSFET aunque puede trabajar con altas frecuencias y grandes intensidades, pero no siempre traen el diodo de protección (Damper) que incluyen los MOSFET.
En sus primeras versiones, los IGBT eran propensos a entrar abruptamente en conducción, pero en la actualidad, las nuevas tecnologías de fabricación están eliminando este defecto.
Otro de los posibles problemas con algunos tipos de IGBT es el coeficiente de temperatura negativo que poseen, que podría conducir al dispositivo a una deriva térmica muy difícil de controlar. Lo que significa que tiene un comportamiento dependiente de la temperatura. Por supuesto, estas desventajas quedan eclipsadas cuando reconocemos la capacidad de un IGBT de poder trabajar con varios miles de Voltios y corrientes tan elevadas que permiten hablar de cientos de Kilovatios de potencia controlada.
A parte de estas características, un IGBT cuenta con una caída de tensión significativamente menor en comparación con un MOSFET convencional en dispositivos con clasificación más alta de tensión de bloqueo, aunque las pérdidas en conmutación son mayores.
A diferencia de un MOSFET, el IGBT no puede conducir en la dirección inversa. Es capaz de bloquear tensiones Vce negativas, al contrario que el MOSFET, que no puede debido a su diodo parásito.
A pesar de todo esto el MOSFET es un producto ya maduro y que ha logrado un desarrollo constructivo muy importante. Los IGBT son una nueva tecnología que superará a los MOSFET por encima de los 300 Voltios y los 100 Amperios, pero estos últimos continúan teniendo un crecimiento muy dinámico en el área de la automoción y la electrónica de consumo, lo que hará que su decadencia no resulte tan sencilla.
•Una vez vistas las diferencias frente a los MOSFET y a los BJT (dispositivos frente a los que mayor competencia puede tener), procedemos a comparar ligeramente el dispositivo IGBT con los SCR. Un SCR (Rectificador controlado de Silicio) es un dispositivo electrónico utilizado en sistemas de control de potencia. Posee 3 terminales: ánodo, cátodo y compuerta. La compuerta es la que se encarga de habilitar el paso de corriente entre las terminales ánodo – cátodo. Cuando la puerta está habilitada funciona igual que un diodo: Permite el paso de corriente únicamente en sentido ánodo-cátodo y no en sentido inverso.
El IGBT es un dispositivo electrónico, más reciente que el SCR el cual se utiliza para sistemas de potencia igualmente. Fue creado con el fin de obtener en un solo elemento la capacidad de alto manejo de corriente de un transistor BJT común, con la puerta aislada de un FET. El resultado fue un dispositivo cuya velocidad de reacción es más alta que un transistor común e incluso que un SCR, haciéndole atractivo en aplicaciones de media-alta frecuencia a costo de un menor manejo de potencia.
Un IGBT maneja frecuencias más altas que el SCR haciéndolos versátiles y aplicables en operaciones de media y alta frecuencia, pero manejan una potencia más baja que estos, aunque los IGBT son más fiables y eficientes que los SCR puesto que la conmutación de un IGBT es más rápida comparada con la de un SCR y por lo tanto las perdidas por conducción son más bajas.
La instalación de un módulo IGBT es más sencilla que la de un SCR puesto que el módulo IGBT es más compacto en comparación a un SCR, logrando que los convertidores de potencia sean más pequeños haciéndolos más económicos que los SCR.
Aunque una vez conocidas las ventajas y desventajas de estos dispositivos deberemos saber diferenciar sus aplicaciones en diferentes campos conociendo las características de cada dispositivo.
Mediante tablas veremos las características resumidas de los dispositivos más utilizados y su comparación frente a los IGBT:
- Tabla con las prestaciones de los dispositivos de potencia más utilizados para seleccionar en que zona se utilizará cada dispositivo en función de las características de cada dispositivo parametrizadas por la tensión, la corriente y la frecuencia de trabajo.
- En la siguiente tabla se añaden otras características importantes a tener en cuenta en el diseño de circuitos de electrónica de potencia.
Estructura
Es un dispositivo semiconductor que combina el MOSFET y el BJT. Esta formado por obleas dopadas de tipo N y de Tipo P formando cuatro capas de unión PN que reduce la resistividad haciendo menor la caída de tensión en la conducción, pero a diferencia del tiristor este se puede controlar totalmente en el momento del encendido y el apagado. Su construcción es similar a la de un MOSFET con la diferencia de que el material de partida es de tipo P y no N.
La P adicional hace que cuando esta en corte no haya inyección de huecos entre la unión PN en la N (esto se produce cuando esta polarizado directamente) por lo que la capacidad de soportar tensión solo depende de la capa N.
En la imagen podemos observar la diferencia de estructura entre un MOSFET y un BJT y la combinación de capas NPN y la combinación adicional PNP.
Al utilizar el principio de los FET en el circuito de excitación y una estructura bipolar en el de potencia se reduce mucho la superficie de silicio necesaria. Esta unión PN también conforma un tiristor parasito el cual si es activado puede destruir el IGBT.
